《Biochar》：Dynamic contact angle as a new metric for the water repellency evaluation of biochar-amended soil
编辑推荐：
本研究针对传统接触角(CA)与水滴滴透时间(WDPT)法评估生物炭疏水性存在矛盾的问题，创新性地提出动态接触角(DCA)测量法。通过分析17种标准材料和18种生物炭在90秒内的接触角变化，建立了包含“超疏水”、“强疏水”、“伪疏水”和“亲水”的新分类体系，发现“伪疏水”材料接触角会从>90°降至<90°，揭示了其本质亲水特性。研究证实结合初始接触角(CA_0)与接触角变化率(|k|)可更准确评估疏水性，并通过90天培养实验证明生物炭添加能显著改变土壤斥水性。该DCA方法有效解决了CA与WDPT测量间的矛盾，为生物炭在环境修复中的应用提供了新见解。
在全球干旱半干旱地区占陆地面积41%的背景下，土壤水分保持成为农业生产的核心挑战。生物炭作为常见土壤改良剂，其疏水性（斥水性）直接影响土壤水分运移效率。然而，传统评估方法——接触角(CA)和水滴滴透时间(WDPT)测量常得出相互矛盾的结论，导致对生物炭疏水性判断不准，制约了其在旱区农业中的精准应用。
为破解这一难题，研究人员开展了一项关于生物炭疏水性评价新方法的研究。他们创新性地提出动态接触角(DCA)测量法，通过记录90秒内接触角的变化轨迹，重新定义了材料疏水性分类标准。研究团队选取了17种标准材料（包括金属及其氧化物、微塑料等）和18种不同原料制备的生物炭（棉花秆、柑橘皮、杨木屑等，在300℃、500℃、700℃下热解），系统比较了初始接触角(CA_0)与90秒时接触角(CA_90)的显著性差异。
令人惊讶的是，研究发现存在一类“伪疏水”材料：其CA_0大于90°，表现为疏水特性，但在90秒内接触角显著下降至90°以下，最终呈现亲水本质。通过线性拟合得到的接触角变化率(|k|)成为区分这类材料的关键指标。
在技术方法上，作者主要采用：动态接触角测量系统记录90秒内接触角变化；水滴滴透时间法评估持久疏水性；傅里叶变换红外光谱分析表面官能团；氮吸附法测定比表面积和孔径分布；元素分析仪测定碳氢氮硫含量；三维形貌扫描仪分析表面粗糙度。供试土壤采集自新疆阜康沙漠生态系统观测研究站农田表层(0-20 cm)。
疏水性新分类体系的建立
基于DCA方法，研究建立了四类疏水性分类：超疏水(CA_0≥150°且CA_90无显著差异)、强疏水(CA_0在90°-150°间且CA_90无显著差异)、“伪疏水”(CA_0≥90°但CA_90显著减小)、亲水(CA_0<90°)。对“伪疏水”材料，需结合|k|值评估，|k|越大表明疏水性越弱。
生物炭疏水性特性
18种生物炭的疏水性分析显示，低温热解生物炭(300℃)疏水性更强，如PN300的CA_0最高(142.34°)。随热解温度升高，疏水性减弱，TP700的CA_0最低(86.60°)。FTIR分析表明，低温生物炭含有更多疏水官能团(-CH2)，而高温生物炭则富含亲水醚键(C-O-C)和羧基(O-C=O)。
生物炭对土壤斥水性的影响
通过90天土壤培养实验发现，1%生物炭添加即能使土壤CA_0>90°，表现为斥水性。但WDPT检测显示，仅5%添加量的CS300、PN500和WS300处理土壤具有持久斥水性(WDPT>5秒)。DCA方法进一步证实，尽管生物炭添加初期增加土壤斥水性，但培养后土壤仍保持“伪疏水”状态，本质为亲水。
机理探讨
随机森林模型分析表明，表面粗糙度(贡献度55%)和相对孔隙率(42%)是影响接触角变化的主要因素。生物炭表面官能团重排、有机分子取向变化是导致“伪疏水”现象的主要原因。培养过程中生物炭老化、表面氧化及微生物活动共同促使疏水性减弱。
本研究创建的动态接触角评价体系，解决了传统方法在评估生物炭疏水性时的矛盾，为精准调控土壤水文过程提供了新方法。特别是“伪疏水”概念的提出，深化了对生物炭-水分相互作用机理的理解，对干旱区土壤水分管理具有重要指导意义。研究还强调，以农业废弃物为原料制备生物炭，可避免“与粮争地”的伦理问题，符合可持续发展理念。该成果为生物炭在改善土壤结构、提高水分利用效率方面的应用提供了理论依据和技术支撑。
